皇華沸石礦采空區(qū)穩(wěn)定性評價及防治

龔甲桂，孫欽同，馬慶寶，徐 琪，王 春

(中國冶金地質(zhì)總局山東正元地質(zhì)勘查院，濟(jì)南 250014)

非煤礦山地下開采雖然為社會提供了豐富的礦產(chǎn)資源，但是在經(jīng)歷長期的掠奪式開采之后，遺留了大量未處理的采空區(qū)[1-3]。采空區(qū)引起的礦山事故已成為地下礦主要災(zāi)害之一，因此，采礦界將采空區(qū)列為非煤礦山的重大隱患之一[4]。為了預(yù)防礦山采空區(qū)災(zāi)害事故，必須對采礦區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行分析評價。如果未及時對開采形成的采空區(qū)進(jìn)行處理，當(dāng)某個礦柱出現(xiàn)破壞時，相鄰礦柱將承擔(dān)該礦柱的載荷，在相鄰礦柱難以承擔(dān)附加載荷時，它們也將出現(xiàn)破壞，進(jìn)而迅速傳播到整個采空區(qū)礦柱，最后造成采空區(qū)上覆巖層大面積暴露，頂板及上覆巖層失穩(wěn)破壞，導(dǎo)致采空區(qū)災(zāi)害事故發(fā)生[5-7]。采空區(qū)涉及的危害均與上述的穩(wěn)定性有關(guān)，主要表現(xiàn)在兩方面：一方面采空區(qū)的礦柱變形和頂板大面積冒落，會造成地面塌陷、沉降和地裂縫，更嚴(yán)重的情況是采空區(qū)會出現(xiàn)突然塌陷，形成高速的沖擊波和氣浪導(dǎo)致人員傷亡；另一方面采空區(qū)圍巖長期受到爆破開采作用，巖體裂隙發(fā)育貫通地表或連通積水處，具有發(fā)生突水事故造成人員傷亡的可能[8-11]。為避免采空區(qū)塌陷和突水事故帶來生命和財產(chǎn)損失，本文針對山東省諸城市皇華沸石礦采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行了調(diào)查評估，并提出相應(yīng)的防治措施。

1 礦區(qū)采空區(qū)概況

涉及的采空區(qū)礦體處于礦區(qū)的第四礦層(FXⅣ)，礦體近似層狀分布，長約300 m。采礦區(qū)是一個向NW傾，傾角15°～30°的單斜構(gòu)造，區(qū)內(nèi)斷裂發(fā)育，有NEE向壓扭性斷裂、NNE向壓扭性斷裂、NW向新裂。

采空區(qū)內(nèi)部頂板連接礦柱的位置出現(xiàn)部分破碎，主要分布在整個采空區(qū)的東側(cè)，采空區(qū)頂板基本水平，層狀明顯，頂板完整性較好，表面平整，產(chǎn)狀200°∠20°，頂板處有明顯的裂隙出現(xiàn)，其中有部分的裂縫較大，北側(cè)接近公路，洞內(nèi)最北側(cè)已經(jīng)有塌落，部分位置可以看到外面，有多處透光，北側(cè)掉落的碎石塊較多，堆積在一起。采空區(qū)上部共有三處地面塌陷采坑，最東側(cè)因為保安礦柱毀壞已經(jīng)發(fā)生坍塌，其中最大的塌陷坑長約80～110 m，寬30～40 m，面積約4 251 m2，塌陷深度最深處約14 m，采空區(qū)北側(cè)臨近公路，東側(cè)有兩個小的塌陷坑，北邊的面積515 m2，南邊的面積453 m2。塌陷坑、地裂縫主要有兩條，走向約160°和90°，分布主要集中在東側(cè)的巖體上，裂縫寬度10～100 cm，長短不一，有些裂縫延伸較長。根據(jù)采空區(qū)內(nèi)部和上部情況，可以發(fā)現(xiàn)采空區(qū)存在大面積塌陷的安全隱患。

2 采空區(qū)三維激光掃描圖分析

開展了現(xiàn)場實地調(diào)查與空區(qū)三維激光掃描。根據(jù)地面調(diào)查，采空區(qū)總投影面積20 518.10 m2，總體積34 961.82 m3。圖1為空區(qū)三維模型圖，可以得出最西側(cè)采空區(qū)內(nèi)空區(qū)高度最高10.42 m，最低處0.59 m，空區(qū)高度范圍0.59～10.42 m。采空區(qū)高度呈階梯狀，從左到右大約3個階梯，平均高差約2.4 m。采空區(qū)的走向大致由西向東，采空區(qū)地勢西高東低，采空區(qū)入口從西向東約220 m長，南北寬40～105 m，采空區(qū)內(nèi)部留有相似規(guī)模的柱體連接頂板支撐上部巖石。此外，采空區(qū)內(nèi)留有37根保安礦柱，礦柱圓柱形，與頂板接觸面積1 211.50 m2，礦柱與空區(qū)面積比例近似為1∶10，礦柱間距10.8～21.2 m。

圖1 采空區(qū)高差最大處Fig.1 The maximum height difference of goaf

3 采空區(qū)穩(wěn)定性評價

3.1 采空區(qū)剩余變形估算

根據(jù)實際調(diào)查，沸石礦東側(cè)已經(jīng)坍塌面積2 561.21 m2，剩余可進(jìn)入?yún)^(qū)域的面積13 971.32 m2，共有3個采空塌陷坑，采空區(qū)南側(cè)為入口，巖石出露且為懸空面，所以對南側(cè)坍塌的影響范圍就是其邊界，對北側(cè)的影響范圍采用礦山開采影響邊界計算方法計算。

采空區(qū)剩余空隙的塌陷預(yù)測，一般根據(jù)礦體產(chǎn)狀、巖礦石物理機(jī)械性質(zhì)以及選擇的開采方式和采礦工藝，類比同類礦山的實際經(jīng)驗，并充分考慮礦區(qū)的地質(zhì)條件確定。根據(jù)實際情況確定陷落角在70°左右，利用公式(1)可以計算出礦山開采后的影響邊界。

r=H/tgβ

(1)

式中：r—采動影響半徑，m；H—開采埋深，m；tgβ—主要影響正切角。通過計算可知采空區(qū)影響范圍為28 578.81 m2。

3.2 穩(wěn)定性影響因素分析

沸石礦為空場法房柱式采礦，空區(qū)內(nèi)留有多個保安礦柱。本次研究的采空區(qū)形態(tài)較簡單，只有一層空區(qū)，礦區(qū)圍巖比較單一、質(zhì)量較好、硬度大，對采空區(qū)穩(wěn)定性比較有利，礦區(qū)內(nèi)無斷層，區(qū)內(nèi)水量較少，不考慮對采空區(qū)穩(wěn)定性造成的影響，現(xiàn)礦區(qū)已關(guān)閉，周圍沒有進(jìn)行其他的工程，綜上所述該沸石礦采空區(qū)穩(wěn)定性的影響因素主要為采空區(qū)巖體質(zhì)量、空區(qū)自身參數(shù)這兩點。

3.3 采空區(qū)穩(wěn)定性分析

3.3.1 基于摩爾-庫倫準(zhǔn)則的采空區(qū)穩(wěn)定性理論分析

根據(jù)摩爾-庫倫準(zhǔn)則，平面剪切強(qiáng)度公式為：

τ=c+σntanφ

(2)

式中：τ—平面剪切強(qiáng)度，MPa；c—黏聚力，MPa；σn—垂直于平面的法向應(yīng)力，MPa；φ—內(nèi)摩擦角，(°)。

由應(yīng)力轉(zhuǎn)換方程可得：

(3)

(4)

綜合公式(2)、(3)和(4)可以得出任意β角的平面上極限應(yīng)力為：

(5)

因為sin2β=cosφ，cos2β=sinφ，上式可以簡化為：

(6)

根據(jù)公式(6)可得，單軸抗壓強(qiáng)度σc和單軸抗拉強(qiáng)度σt與c和φ的關(guān)系為：

(7)

(8)

由巖石力學(xué)參數(shù)計算柱體抗壓強(qiáng)度σc=18.68 MPa；頂板抗拉強(qiáng)度σt=5.95 MPa。

3.3.2 采空區(qū)礦柱穩(wěn)定性分析

結(jié)合礦柱寬高比、巖體強(qiáng)度經(jīng)驗公式和常規(guī)巖體強(qiáng)度方法(摩爾-庫倫)，建立一種考慮礦柱摩擦系數(shù)和經(jīng)驗強(qiáng)度的計算方法，考慮礦柱強(qiáng)度的多種影響因素，主要包括現(xiàn)場巖體強(qiáng)度和礦柱形狀。

強(qiáng)度公式的一般表達(dá)為：

Ps=(Kσc)×(C1+C2Ka)

(9)

式中：K—巖體強(qiáng)度系數(shù)；σc—完整礦柱單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；C1、C2—經(jīng)驗常數(shù)；Ka—礦柱摩擦系數(shù)。其中礦柱摩擦系數(shù)可以通過礦柱平均強(qiáng)度系數(shù)確定，通過畫出各種直徑的莫爾圖求出有效摩擦系數(shù)，隨著礦柱平均強(qiáng)度系數(shù)以及礦柱寬高比提高，莫爾圓斜率降低，摩擦系數(shù)減小，礦柱摩擦系數(shù)計算公式為：

(10)

根據(jù)不同巖體的破壞準(zhǔn)則數(shù)值模擬，采用二維邊界元模擬分析來確定礦柱寬高比和礦柱平均強(qiáng)度系數(shù)Cp的關(guān)系，用式(11)表示：

(11)

式中：Cp—礦柱平均強(qiáng)度系數(shù)；W—礦柱寬度，m；h—礦柱高度，m。

因此，可以推算出硬巖礦柱強(qiáng)度公式采用式(12)計算：

Ps=0.22σc(0.68+0.52Ka)

(12)

式中：Ps—礦柱強(qiáng)度，MPa。

礦柱的安全系數(shù)普遍采用式(13)計算：

(13)

式中：FS—安全系數(shù)；σ—作用在礦柱上的應(yīng)力，MPa。

采空區(qū)面積13 971.32 m2，上覆巖體厚度按10 m計算，采空區(qū)內(nèi)部共有37根柱體，空區(qū)內(nèi)柱體面積約為1 211.5 m2，可計算出σ=2.59 MPa。采空區(qū)內(nèi)柱寬度W取值8 m，高度h取值5 m，通過上述公式計算得出Ka=0.017；由柱體的抗壓強(qiáng)度σc=18.68 MPa，可計算出Ps=2.83 MPa；最后計算得出礦柱的安全系數(shù)為1.093，處于安全邊界。

3.3.3 采空區(qū)頂板穩(wěn)定性分析

根據(jù)上述計算的采空區(qū)保安礦柱的穩(wěn)定性處于臨界穩(wěn)定的狀態(tài)，柱體支撐采空區(qū)頂板，采空區(qū)頂板的受力情況根據(jù)采空區(qū)的分布特征，考慮為兩端簡支梁，建立物理力學(xué)模型，根據(jù)材料力學(xué)的理論計算巖梁中性軸上任意點的應(yīng)力：

σx=γsinα(2x-L)/2±3γx(x-L)cosα/h

(14)

式中：α—礦體傾角，(°)；L—巖梁跨度，m；h—巖梁高度，m；γ—巖體堆積密度，104N/m3。

該采空區(qū)礦柱分布較均勻，礦柱的間距即為跨度，頂板可以假設(shè)為簡支梁，根據(jù)材料力學(xué)，可以分別求解一次到多次的靜定梁問題來計算頂板穩(wěn)定性。根據(jù)公式(14)可以計算得出最大拉應(yīng)力及其發(fā)生的位置為：

(15)

x=L/2+htanα/6

(16)

根據(jù)上述公式可知在間距最大、高度最小處出現(xiàn)最大拉應(yīng)力，采空區(qū)的東側(cè)出現(xiàn)最大拉應(yīng)力的位置。計算得：σmax=1.58 MPa，小于σt=5.95 MPa，所以采空區(qū)的頂板穩(wěn)定。

4 采空區(qū)防治措施

由于該區(qū)域涉及面積大，采空區(qū)未經(jīng)過充填及其他處理。為避免人員誤入采空區(qū)發(fā)生危險及空區(qū)塌陷對地表行人造成的安全隱患。需要對采空區(qū)進(jìn)行應(yīng)急處理。

4.1 封堵、設(shè)立警示牌

采空區(qū)入口均在南側(cè)，運用采空圍欄的方式進(jìn)行封堵，具體立柱和防護(hù)網(wǎng)的安裝情況如圖2所示，在入口外約1 m處進(jìn)行防護(hù)網(wǎng)的布設(shè)，防護(hù)網(wǎng)采用預(yù)埋立柱連接，立柱采用1 500 mm長，70 mm×100 mm，表面利用高防銹PVC鍍膜處理的桃型防銹鐵柱。立柱的安裝間距為2 m。根據(jù)現(xiàn)場的地質(zhì)情況，地面為山體巖石，為了保證暗轉(zhuǎn)防護(hù)網(wǎng)的穩(wěn)定性、牢固性、安全性，應(yīng)根據(jù)地形的高低起伏，以立柱為圓心200 mm為半徑，用M7.5水泥砂漿砌筑毛石700 mm高，預(yù)埋立柱500 mm深。立柱安裝完成后，安裝1 m高、規(guī)格Φ5@50 mm×100 mm的浸塑護(hù)欄網(wǎng)，護(hù)欄網(wǎng)底部與基巖面不留縫隙。在山頂及上下的采空區(qū)影響范圍內(nèi)布設(shè)警示牌，預(yù)計用20個，東西長約260 m，使用防護(hù)網(wǎng)長300 m，立柱150根。

圖2 立柱與防護(hù)網(wǎng)安裝圖(單位：mm)Fig.2 Installation drawing of column and protective net

4.2 采空區(qū)爆破處理

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查以及理論方法的計算，采空區(qū)東側(cè)已經(jīng)發(fā)生坍塌，地裂縫及地面塌陷存在多處，而且采空區(qū)的穩(wěn)定性處于臨界狀態(tài)。因此，對采空區(qū)采取爆破方式進(jìn)行處理，以確保不會對來往行人造成生命財產(chǎn)威脅。

采用水平布孔的方式，在采空區(qū)的保安礦柱布設(shè)，排間呈三角形布置。鉆孔直徑選擇42 mm。采空區(qū)考慮柱體的間距和高差，對采空區(qū)的每根柱體放置炸藥保證采空區(qū)完全爆破，單位炸藥量根據(jù)現(xiàn)場實際情況和經(jīng)驗確定，消耗量取值0.5 kg/m3。最后使用巖粉進(jìn)行填塞，設(shè)置防護(hù)警戒等安全措施，確保人員安全。

5 結(jié)論

1)通過三維激光掃描測量，采空區(qū)內(nèi)可進(jìn)入?yún)^(qū)域面積13 971.32 m2，剩余空隙體積29 966.82 m3，采空區(qū)內(nèi)留有37根保安礦柱，礦柱圓柱形與頂板接觸面積1 211.50 m2，礦柱與空區(qū)面積比例近似為1∶10，礦柱間距10.8～21.2 m；采空區(qū)內(nèi)空區(qū)高度0.59～10.42 m，空區(qū)高度呈現(xiàn)由西向東逐漸降低的分布特征。

2)采空區(qū)的影響范圍為28 578.81 m2，采空區(qū)巖體質(zhì)量和空區(qū)自身參數(shù)是采空區(qū)穩(wěn)定性的兩個影響因素；根據(jù)摩爾-庫倫準(zhǔn)則，分析確定礦柱處于安全邊界，頂板處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3)為避免造成生命財產(chǎn)的損失，對采空區(qū)采取封堵、設(shè)立警示標(biāo)志和爆破處理的防治措施。